సిలికాన్ కార్బైడ్‌కు ఉన్న సాంకేతిక అవరోధాలు ఏమిటి?Ⅱ

స్థిరమైన పనితీరుతో అధిక నాణ్యత గల సిలికాన్ కార్బైడ్ వేఫర్‌లను స్థిరంగా భారీ స్థాయిలో ఉత్పత్తి చేయడంలో ఎదురయ్యే సాంకేతిక ఇబ్బందులు:

1) స్ఫటికాలు 2000°C కంటే ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత గల సీల్డ్ వాతావరణంలో పెరగాలి కాబట్టి, ఉష్ణోగ్రత నియంత్రణ అవసరాలు చాలా ఎక్కువగా ఉంటాయి;
2) సిలికాన్ కార్బైడ్‌కు 200 కంటే ఎక్కువ స్ఫటిక నిర్మాణాలు ఉన్నప్పటికీ, ఏక-స్ఫటిక సిలికాన్ కార్బైడ్ యొక్క కొన్ని నిర్మాణాలు మాత్రమే అవసరమైన సెమీకండక్టర్ పదార్థాలుగా ఉంటాయి కాబట్టి, స్ఫటిక వృద్ధి ప్రక్రియలో సిలికాన్-టు-కార్బన్ నిష్పత్తి, వృద్ధి ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత మరియు స్ఫటిక వృద్ధిని ఖచ్చితంగా నియంత్రించాల్సిన అవసరం ఉంది. వేగం మరియు గాలి ప్రవాహ పీడనం వంటి పారామితులు;
3) ఆవిరి దశ ప్రసార పద్ధతి కింద, సిలికాన్ కార్బైడ్ స్ఫటిక వృద్ధి యొక్క వ్యాస విస్తరణ సాంకేతికత చాలా కష్టం;
4) సిలికాన్ కార్బైడ్ యొక్క కాఠిన్యం వజ్రం కాఠిన్యానికి దగ్గరగా ఉంటుంది, మరియు దానిని కత్తిరించడం, రుద్దడం, పాలిష్ చేయడం వంటి పద్ధతులు కష్టంగా ఉంటాయి.

SiC ఎపిటాక్సియల్ వేఫర్లు: సాధారణంగా కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్ (CVD) పద్ధతి ద్వారా తయారు చేయబడతాయి. విభిన్న డోపింగ్ రకాలను బట్టి, వీటిని n-రకం మరియు p-రకం ఎపిటాక్సియల్ వేఫర్లుగా విభజిస్తారు. దేశీయంగా హాన్టియన్ టియాన్‌చెంగ్ మరియు డాంగ్‌గువాన్ టియాన్‌యు ఇప్పటికే 4-అంగుళాల/6-అంగుళాల SiC ఎపిటాక్సియల్ వేఫర్లను అందించగలవు. SiC ఎపిటాక్సీని అధిక-వోల్టేజ్ క్షేత్రంలో నియంత్రించడం కష్టం, మరియు SiC ఎపిటాక్సీ నాణ్యత SiC పరికరాలపై ఎక్కువ ప్రభావాన్ని చూపుతుంది. అంతేకాకుండా, ఎపిటాక్సియల్ పరికరాలు ఈ పరిశ్రమలోని నాలుగు ప్రముఖ కంపెనీలైన ఆక్సిట్రాన్, LPE, TEL మరియు నుఫ్లేర్‌ల గుత్తాధిపత్యంలో ఉన్నాయి.

సిలికాన్ కార్బైడ్ ఎపిటాక్సియల్వేఫర్ అనేది ఒక సిలికాన్ కార్బైడ్ వేఫర్‌ను సూచిస్తుంది, దీనిలో అసలు సిలికాన్ కార్బైడ్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై, నిర్దిష్ట అవసరాలతో మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ క్రిస్టల్ మాదిరిగానే ఉండే ఒకే క్రిస్టల్ ఫిల్మ్ (ఎపిటాక్సియల్ పొర) పెంచబడుతుంది. ఎపిటాక్సియల్ వృద్ధికి ప్రధానంగా CVD (కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్) పరికరాలు లేదా MBE (మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ) పరికరాలను ఉపయోగిస్తారు. సిలికాన్ కార్బైడ్ పరికరాలు నేరుగా ఎపిటాక్సియల్ పొరలోనే తయారు చేయబడతాయి కాబట్టి, ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క నాణ్యత పరికరం యొక్క పనితీరు మరియు దిగుబడిని నేరుగా ప్రభావితం చేస్తుంది. పరికరం యొక్క వోల్టేజ్ తట్టుకునే సామర్థ్యం పెరుగుతున్న కొద్దీ, దానికి సంబంధించిన ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క మందం కూడా పెరుగుతుంది మరియు నియంత్రణ మరింత కష్టమవుతుంది. సాధారణంగా, వోల్టేజ్ సుమారు 600V ఉన్నప్పుడు, అవసరమైన ఎపిటాక్సియల్ పొర మందం దాదాపు 6 మైక్రాన్లు ఉంటుంది; వోల్టేజ్ 1200-1700V మధ్య ఉన్నప్పుడు, అవసరమైన ఎపిటాక్సియల్ పొర మందం 10-15 మైక్రాన్లకు చేరుకుంటుంది. వోల్టేజ్ 10,000 వోల్టుల కంటే ఎక్కువగా ఉంటే, 100 మైక్రాన్ల కంటే ఎక్కువ ఎపిటాక్సియల్ పొర మందం అవసరం కావచ్చు. ఎపిటాక్సియల్ పొర మందం పెరుగుతూ పోయే కొద్దీ, మందం, నిరోధకత ఏకరూపత మరియు లోపాల సాంద్రతను నియంత్రించడం మరింత కష్టతరం అవుతుంది.

SiC పరికరాలు: అంతర్జాతీయంగా, 600~1700V SiC SBD మరియు MOSFETలు పారిశ్రామికీకరించబడ్డాయి. ప్రధాన ఉత్పత్తులు 1200V కంటే తక్కువ వోల్టేజ్ స్థాయిలలో పనిచేస్తాయి మరియు ప్రాథమికంగా TO ప్యాకేజింగ్‌ను అవలంబిస్తాయి. ధరల పరంగా, అంతర్జాతీయ మార్కెట్లో SiC ఉత్పత్తుల ధర వాటి Si ఉత్పత్తుల కంటే సుమారు 5-6 రెట్లు ఎక్కువగా ఉంటుంది. అయితే, ధరలు సంవత్సరానికి 10% చొప్పున తగ్గుతున్నాయి. రాబోయే 2-3 సంవత్సరాలలో అప్‌స్ట్రీమ్ మెటీరియల్స్ మరియు పరికరాల ఉత్పత్తి విస్తరణతో, మార్కెట్ సరఫరా పెరుగుతుంది, ఇది ధరలు మరింత తగ్గడానికి దారితీస్తుంది. Si ఉత్పత్తుల ధర కంటే 2-3 రెట్లు SiC ధర చేరినప్పుడు, తగ్గిన సిస్టమ్ ఖర్చులు మరియు మెరుగైన పనితీరు వల్ల కలిగే ప్రయోజనాలు క్రమంగా Si పరికరాల మార్కెట్ స్థానాన్ని SiC ఆక్రమించేలా చేస్తాయని అంచనా.
సాంప్రదాయ ప్యాకేజింగ్ సిలికాన్ ఆధారిత సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై ఆధారపడి ఉంటుంది, అయితే మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలకు పూర్తిగా కొత్త డిజైన్ అవసరం. వైడ్-బ్యాండ్‌గ్యాప్ పవర్ డివైస్‌ల కోసం సాంప్రదాయ సిలికాన్ ఆధారిత ప్యాకేజింగ్ నిర్మాణాలను ఉపయోగించడం వల్ల ఫ్రీక్వెన్సీ, థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ మరియు విశ్వసనీయతకు సంబంధించిన కొత్త సమస్యలు మరియు సవాళ్లు తలెత్తవచ్చు. SiC పవర్ డివైస్‌లు పారాసిటిక్ కెపాసిటెన్స్ మరియు ఇండక్టెన్స్‌కు మరింత సున్నితంగా ఉంటాయి. Si డివైస్‌లతో పోలిస్తే, SiC పవర్ చిప్‌లు వేగవంతమైన స్విచ్చింగ్ వేగాన్ని కలిగి ఉంటాయి, ఇది ఓవర్‌షూట్, ఆసిలేషన్, పెరిగిన స్విచ్చింగ్ నష్టాలు మరియు డివైస్ పనిచేయకపోవడానికి కూడా దారితీయవచ్చు. అదనంగా, SiC పవర్ డివైస్‌లు అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద పనిచేస్తాయి, వీటికి మరింత అధునాతన థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ పద్ధతులు అవసరం.

వైడ్-బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ పవర్ ప్యాకేజింగ్ రంగంలో అనేక రకాల విభిన్న నిర్మాణాలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి. సాంప్రదాయ Si-ఆధారిత పవర్ మాడ్యూల్ ప్యాకేజింగ్ ఇకపై అనుకూలంగా లేదు. సాంప్రదాయ Si-ఆధారిత పవర్ మాడ్యూల్ ప్యాకేజింగ్‌లో ఉండే అధిక పారాసైటిక్ పారామీటర్లు మరియు పేలవమైన ఉష్ణ వెదజల్లు సామర్థ్యం వంటి సమస్యలను పరిష్కరించడానికి, SiC పవర్ మాడ్యూల్ ప్యాకేజింగ్ దాని నిర్మాణంలో వైర్‌లెస్ ఇంటర్‌కనెక్షన్ మరియు డబుల్-సైడ్ కూలింగ్ టెక్నాలజీని అవలంబిస్తుంది. అంతేకాకుండా, మెరుగైన ఉష్ణ వాహకత కలిగిన సబ్‌స్ట్రేట్ పదార్థాలను ఉపయోగించి, డీకప్లింగ్ కెపాసిటర్లు, ఉష్ణోగ్రత/కరెంట్ సెన్సార్లు మరియు డ్రైవ్ సర్క్యూట్‌లను మాడ్యూల్ నిర్మాణంలో ఏకీకృతం చేయడానికి ప్రయత్నించి, అనేక రకాల విభిన్న మాడ్యూల్ ప్యాకేజింగ్ టెక్నాలజీలను అభివృద్ధి చేసింది. ఇంకా, SiC పరికరాల తయారీకి అధిక సాంకేతిక అవరోధాలు ఉన్నాయి మరియు ఉత్పత్తి ఖర్చులు కూడా అధికంగా ఉంటాయి.

CVD ప్రక్రియ ద్వారా సిలికాన్ కార్బైడ్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై ఎపిటాక్సియల్ పొరలను నిక్షేపించడం ద్వారా సిలికాన్ కార్బైడ్ పరికరాలు ఉత్పత్తి చేయబడతాయి. ఈ ప్రక్రియలో SiC సింగిల్ క్రిస్టల్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై పరికర నిర్మాణాన్ని రూపొందించడానికి శుభ్రపరచడం, ఆక్సీకరణ, ఫోటోలిథోగ్రఫీ, ఎచింగ్, ఫోటోరెసిస్ట్‌ను తొలగించడం, అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్, సిలికాన్ నైట్రైడ్ యొక్క కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్, పాలిషింగ్, స్పట్టరింగ్ మరియు తదుపరి ప్రాసెసింగ్ దశలు ఉంటాయి. SiC పవర్ పరికరాల ప్రధాన రకాలలో SiC డయోడ్‌లు, SiC ట్రాన్సిస్టర్‌లు మరియు SiC పవర్ మాడ్యూల్స్ ఉన్నాయి. ముడి పదార్థాల ఉత్పత్తి వేగం నెమ్మదిగా ఉండటం మరియు దిగుబడి రేట్లు తక్కువగా ఉండటం వంటి కారణాల వల్ల, సిలికాన్ కార్బైడ్ పరికరాల తయారీ ఖర్చులు సాపేక్షంగా ఎక్కువగా ఉంటాయి.

అంతేకాకుండా, సిలికాన్ కార్బైడ్ పరికరాల తయారీలో కొన్ని సాంకేతిక ఇబ్బందులు ఉన్నాయి:

1) సిలికాన్ కార్బైడ్ పదార్థాల లక్షణాలకు అనుగుణంగా ఉండే ఒక నిర్దిష్ట ప్రక్రియను అభివృద్ధి చేయడం అవసరం. ఉదాహరణకు: SiC అధిక ద్రవీభవన స్థానాన్ని కలిగి ఉంటుంది, ఇది సాంప్రదాయ థర్మల్ డిఫ్యూజన్‌ను ప్రభావహీనంగా చేస్తుంది. అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ డోపింగ్ పద్ధతిని ఉపయోగించడం మరియు ఉష్ణోగ్రత, తాపన రేటు, వ్యవధి మరియు గ్యాస్ ప్రవాహం వంటి పారామితులను ఖచ్చితంగా నియంత్రించడం అవసరం; SiC రసాయన ద్రావకాలకు జడమైనది. డ్రై ఎచింగ్ వంటి పద్ధతులను ఉపయోగించాలి, మరియు మాస్క్ పదార్థాలు, గ్యాస్ మిశ్రమాలు, సైడ్‌వాల్ వాలు నియంత్రణ, ఎచింగ్ రేటు, సైడ్‌వాల్ గరుకుదనం మొదలైనవాటిని ఆప్టిమైజ్ చేసి అభివృద్ధి చేయాలి;
2) సిలికాన్ కార్బైడ్ వేఫర్లపై లోహ ఎలక్ట్రోడ్‌ల తయారీకి 10-5Ω2 కంటే తక్కువ సంపర్క నిరోధకత అవసరం. అవసరాలను తీర్చే ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థాలైన Ni మరియు Al, 100°C కంటే ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద పేలవమైన ఉష్ణ స్థిరత్వాన్ని కలిగి ఉంటాయి, కానీ Al/Ni మెరుగైన ఉష్ణ స్థిరత్వాన్ని కలిగి ఉంటుంది. /W/Au మిశ్రమ ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థం యొక్క సంపర్క నిర్దిష్ట నిరోధకత 10-3Ω2 ఎక్కువగా ఉంటుంది;
3) SiC అధిక కోత అరుగుదలను కలిగి ఉంటుంది మరియు SiC యొక్క కాఠిన్యం వజ్రం తర్వాత రెండవ స్థానంలో ఉంటుంది, ఇది కోత, గ్రైండింగ్, పాలిషింగ్ మరియు ఇతర సాంకేతికతలకు అధిక అవసరాలను నిర్దేశిస్తుంది.

అంతేకాకుండా, ట్రెంచ్ సిలికాన్ కార్బైడ్ పవర్ డివైస్‌లను తయారు చేయడం మరింత కష్టం. విభిన్న డివైస్ నిర్మాణాల ప్రకారం, సిలికాన్ కార్బైడ్ పవర్ డివైస్‌లను ప్రధానంగా ప్లానార్ డివైస్‌లు మరియు ట్రెంచ్ డివైస్‌లుగా విభజించవచ్చు. ప్లానార్ సిలికాన్ కార్బైడ్ పవర్ డివైస్‌లు మంచి యూనిట్ స్థిరత్వాన్ని మరియు సరళమైన తయారీ ప్రక్రియను కలిగి ఉంటాయి, కానీ అవి JFET ప్రభావానికి గురయ్యే అవకాశం ఉంది మరియు అధిక పారాసైటిక్ కెపాసిటెన్స్ మరియు ఆన్-స్టేట్ రెసిస్టెన్స్‌ను కలిగి ఉంటాయి. ప్లానార్ డివైస్‌లతో పోలిస్తే, ట్రెంచ్ సిలికాన్ కార్బైడ్ పవర్ డివైస్‌లు తక్కువ యూనిట్ స్థిరత్వాన్ని కలిగి ఉంటాయి మరియు మరింత సంక్లిష్టమైన తయారీ ప్రక్రియను కలిగి ఉంటాయి. అయితే, ట్రెంచ్ నిర్మాణం డివైస్ యూనిట్ సాంద్రతను పెంచడానికి అనుకూలంగా ఉంటుంది మరియు JFET ప్రభావాన్ని ఉత్పత్తి చేసే అవకాశం తక్కువగా ఉంటుంది, ఇది ఛానల్ మొబిలిటీ సమస్యను పరిష్కరించడానికి ప్రయోజనకరంగా ఉంటుంది. ఇది తక్కువ ఆన్-రెసిస్టెన్స్, తక్కువ పారాసైటిక్ కెపాసిటెన్స్ మరియు తక్కువ స్విచ్చింగ్ శక్తి వినియోగం వంటి అద్భుతమైన లక్షణాలను కలిగి ఉంది. ఇది గణనీయమైన ధర మరియు పనితీరు ప్రయోజనాలను కలిగి ఉంది మరియు సిలికాన్ కార్బైడ్ పవర్ డివైస్‌ల అభివృద్ధిలో ప్రధాన దిశగా మారింది. రోమ్ అధికారిక వెబ్‌సైట్ ప్రకారం, రోమ్ జెన్3 నిర్మాణం (జెన్1 ట్రెంచ్ నిర్మాణం) జెన్2 (ప్లానర్2) చిప్ వైశాల్యంలో కేవలం 75% మాత్రమే ఉంటుంది, మరియు అదే చిప్ పరిమాణంలో రోమ్ జెన్3 నిర్మాణం యొక్క ఆన్-రెసిస్టెన్స్ 50% తగ్గించబడింది.

సిలికాన్ కార్బైడ్ పరికరాల తయారీ ఖర్చులో సిలికాన్ కార్బైడ్ సబ్‌స్ట్రేట్, ఎపిటాక్సీ, ఫ్రంట్-ఎండ్, ఆర్&డి ఖర్చులు మరియు ఇతరాలు వరుసగా 47%, 23%, 19%, 6% మరియు 5% వాటాను కలిగి ఉన్నాయి.

చివరగా, సిలికాన్ కార్బైడ్ పరిశ్రమ గొలుసులోని సబ్‌స్ట్రేట్‌ల సాంకేతిక అడ్డంకులను తొలగించడంపై మేము దృష్టి పెడతాము.

సిలికాన్ కార్బైడ్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ల ఉత్పత్తి ప్రక్రియ సిలికాన్ ఆధారిత సబ్‌స్ట్రేట్‌ల మాదిరిగానే ఉంటుంది, కానీ మరింత కష్టతరమైనది.
సిలికాన్ కార్బైడ్ సబ్‌స్ట్రేట్ తయారీ ప్రక్రియలో సాధారణంగా ముడి పదార్థాల సంశ్లేషణ, స్ఫటిక వృద్ధి, ఇంగట్ ప్రాసెసింగ్, ఇంగట్ కటింగ్, వేఫర్ గ్రైండింగ్, పాలిషింగ్, శుభ్రపరచడం మరియు ఇతర దశలు ఉంటాయి.
స్ఫటిక వృద్ధి దశ మొత్తం ప్రక్రియకు కీలకం, మరియు ఈ దశ సిలికాన్ కార్బైడ్ సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క విద్యుత్ లక్షణాలను నిర్ధారిస్తుంది.

సాధారణ పరిస్థితులలో ద్రవ దశలో సిలికాన్ కార్బైడ్ పదార్థాలను పెంచడం కష్టం. ప్రస్తుతం మార్కెట్లో ప్రాచుర్యం పొందిన ఆవిరి దశ వృద్ధి పద్ధతిలో, వృద్ధి ఉష్ణోగ్రత 2300°C కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది మరియు వృద్ధి ఉష్ణోగ్రతపై ఖచ్చితమైన నియంత్రణ అవసరం. మొత్తం కార్యాచరణ ప్రక్రియను గమనించడం దాదాపు అసాధ్యం. ఒక చిన్న పొరపాటు కూడా ఉత్పత్తిని రద్దు చేయడానికి దారితీస్తుంది. పోల్చి చూస్తే, సిలికాన్ పదార్థాలకు కేవలం 1600℃ మాత్రమే అవసరం, ఇది చాలా తక్కువ. సిలికాన్ కార్బైడ్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లను తయారు చేయడంలో కూడా నెమ్మదిగా జరిగే స్ఫటిక వృద్ధి మరియు అధిక స్ఫటిక రూప అవసరాలు వంటి ఇబ్బందులు ఎదురవుతాయి. సిలికాన్ కార్బైడ్ వేఫర్ వృద్ధికి సుమారు 7 నుండి 10 రోజులు పడుతుంది, అయితే సిలికాన్ రాడ్ పుల్లింగ్‌కు కేవలం రెండున్నర రోజులు మాత్రమే పడుతుంది. అంతేకాకుండా, సిలికాన్ కార్బైడ్ అనేది వజ్రం తర్వాత రెండవ అత్యధిక కాఠిన్యం కలిగిన పదార్థం. కటింగ్, గ్రైండింగ్ మరియు పాలిషింగ్ సమయంలో ఇది చాలా కాఠిన్యాన్ని కోల్పోతుంది, మరియు ఉత్పత్తి నిష్పత్తి కేవలం 60% మాత్రమే ఉంటుంది.

సిలికాన్ కార్బైడ్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ల పరిమాణాన్ని పెంచడమే ప్రస్తుత ధోరణి అని మనకు తెలుసు. పరిమాణం పెరుగుతున్న కొద్దీ, వ్యాస విస్తరణ సాంకేతికతకు అవసరాలు కూడా అంతకంతకూ అధికమవుతున్నాయి. స్ఫటికాల పునరావృత వృద్ధిని సాధించడానికి వివిధ సాంకేతిక నియంత్రణ అంశాల కలయిక అవసరం.